Кои натоварвания са подходящи за единичен твърдотелен релей?

Резистивни товари: Идеалната комбинация за едно твърдотелно реле

Защо резистивните товари минимизират напрежението върху изходните полупроводникови елементи на едно твърдотелно реле

Когато става дума за резистивни натоварвания като нагревателни елементи и старомодни лампи с нажежена жичка, те всъщност оказват много малко натоварване върху полупроводниците в твърдотелните реле (SSR). Този тип натоварвания имат това, което инженерите наричат почти единичен коефициент на мощност, което означава, че напрежението и токът остават добре синхронизирани, а не излизат от фаза. Тази синхронизация предотвратява онези досадни вълни на напрежение, които възникват при включване или изключване на оборудването. Тъй като няма внезапен токов удар или натрупана енергия, която да предизвиква загриженост, електрическото натоварване остава стабилно и предсказуемо от термична гледна точка. Това помага да се защитят деликатните полупроводникови преходи от повтарящи се цикли на затопляне и охлаждане, които с времето могат да причинят износ. Важно е да се отбележи, че резистивните натоварвания не генерират нежелана обратна електрическа енергия (така наречената обратна ЕДН), когато се изключват, за разлика от индуктивните или капацитивните натоварвания. Това значително улеснява работата на SSR, тъй като те могат да функционират безопасно в рамките на своите нормални параметри, без да е необходимо проектирането им да включва допълнителни резерви за сигурност.

Превключване при нулево преминаване: Как подобрява дълготрайността и електромагнитната съвместимост в резистивни приложения

При използване на превключване при нулево пресичане твърдотелното реле се включва точно в момента, когато променливото напрежение преминава през нулевите волтове. Това внимателно синхронизиране помага да се избегнат внезапни скокове в тока, които могат да предизвикат проблеми. Резултатът? По-малко напрежение от вълни на захранването и значително намалено електромагнитно въздействие (ЕМИ). Изследвания показват около 40 dB по-ниски нива на ЕМИ в сравнение с обичайните методи на превключване. Промишлените системи за отопление особено печелят от това, тъй като генерират много по-малко шум, който би могъл да наруши работата на други съседни контролни вериги. Компонентите от тиристори също губят далеч по-малко мощност — всъщност с 65 % до 80 % по-малко, което означава, че тези части имат по-дълъг срок на експлоатация преди необходимостта от замяна. Друго важно предимство е избягването на проблеми със споените контакти, които често възникват при механичните релета след милиони операции всяка година. За приложения, изискващи многократно превключване в продължение на много години, превключването при нулево пресичане остава най-доброто решение за надеждно управление на резистивни товари.

Индуктивни натоварвания: Ключови съображения за надеждността на единичните твърдотелни реле

Обратна ЕДН и напрежението при преминаване: Основни механизми на повреда в веригите с единични твърдотелни реле

Индуктивните натоварвания, като соленоиди, контактори и различни типове електродвигатели, съхраняват енергия в своите магнитни полета. Когато тези устройства бъдат изключени изведнъж, те генерират остри обратни ЕДН напрежения, които могат да достигнат над 1000 волта за микросекунда. Тези импулси предизвикват разрушителни термични лавинни ефекти в полупроводниковите изходи на твърдотелните реле. В сравнение с прости резистивни натоварвания, внезапното освобождаване на съхранената енергия създава условия, подобни на електрически дъги, които ускоряват пробива на полупроводниковите преходи. Повечето от ранните откази, наблюдавани при индустриални инсталации на твърдотелни реле, всъщност се дължат точно на това явление. Положението става още по-лошо, когато няма естествена точка, в която токът спада до нула по време на изключване — особено проблематично в AC системи, тъй като остатъчната магнитна енергия продължава да циркулира след достигане на нулево напрежение.

Методи за намаляване на риска: гасителни вериги (snubber networks), твърдотелни реле с рейтинг за dv/dt и избор на случайно включване (random-on switching)

Съществуват няколко ефективни начина за защита на единичен твърдотелен реле от онези досадни индуктивни заплахи, които могат да предизвикат всевъзможни проблеми. Първо, RC-гасителните вериги дават отлични резултати в този случай. Повечето специалисти използват резистори с около 100 ома, свързани с кондензатори с капацитет около 0,1 микроФарада. Тези малки схеми поглъщат внезапния енергиен импулс, преди той да достигне изходната ступен на твърдотелния реле. Друга добра практика е изборът на твърдотелен реле с рейтинг dv/dt поне 500 волта за микросекунда — това гарантира, че вътрешните компоненти няма да се повредят при бързи волтажни върхове. При индуктивни вериги превключването на случаен принцип, а не в точки на нулево пресичане, помага да се предотвратят неприятните резонансни явления, които се натрупват с течение на времето. И не забравяйте нещо важно, което често се пренебрегва от инженерите: при работа с индуктивни товари винаги намалявайте номиналния токов рейтинг на твърдотелния реле с приблизително 40–50 %. Този допълнителен резерв компенсира непредвидимите пускови токови върхове и временни претоварвания, които възникват по-често, отколкото бихме искали.

Капацитивни и смесени натоварвания: Управление на пусковия ток чрез намаляване на номинала на единичен твърдотелен релей

Върхов ток при зареждане на кондензатори: Защо пиковите токови характеристики и устойчивостта към I²t са решаващи при избора на единичен твърдотелен релей

Когато капацитивни натоварвания като входни филтри в захранващи устройства с импулсен режим стартират, те генерират големи пускови токове, които могат да достигнат 20–40 пъти по-високи стойности от нормалните работни нива. Тези токови върхове всъщност пораждат две основни проблема за твърдотелните релета. Първият е непосредственият риск при превишаване на пиковия ток над максималната стойност, която устройството може да издръжи според техническите си спецификации. Вторият е по-дългосрочният проблем, при който термичното напрежение се натрупва с времето и се измерва в единици I²t (ампер на квадрат в секунда). В началото кондензаторите действат почти като къси съединения, тъй като съпротивлението им е изключително ниско веднага след включване на захранването, което ги прави уязвими към повреди, предизвикани например от лавинно разрушаване на MOSFET-елементи или дори от стопяване на свързващите жици вътре в компонента. За всеки, който избира компоненти, проверката за наличието на защита срещу тези два фактора става абсолютно задължителна, за да се гарантира надеждна работа в реални експлоатационни условия.

• Номинален пиков ток надвишава амплитудата на най-неблагоприятния пусков ток
• Стойност на I²t, която устройството може да издръжи надвишава общия интеграл на енергията при вълнови върхове

Намаляването на номиналната мощност с 50–60 % спрямо изчислените стойности е стандартна практика — не само за да се компенсират увеличенията в еквивалентното серийно съпротивление (ESR) на кондензаторите поради стареене, но и защото твърдотелните релета с постояннотоков изход нямат помощ при преминаване през нулата, което ги прави особено уязвими към повтарящи се пускови токове.

Съвместимост между променлив и постоянен ток: Ограничения на конфигурацията на изхода за едно твърдотелно реле

Начинът, по който товарите с променлив и постоянен ток влияят върху изходната архитектура на твърдотелно реле, е доста различен. За релета за променлив ток (AC SSR) те работят най-добре, тъй като могат да използват естествените нулеви точки на тока, при които вълновата форма преминава през нула волта. Това им позволява да прекъсват енергийния поток чисто, използвайки компоненти като тиристори или триаки, проектирани специално за сигнали с променлив ток. При товарите с постоянен ток (DC) обаче нещата стават по-сложни. Те изискват еднопосочни изходни устройства — обикновено MOSFET-ове или биполярни транзистори, — които могат да издържат постоянно протичане на ток и да се изключат коректно дори когато липсва падане на напрежение, което да подпомага комутацията. Когато някой случайно използва реле, предназначено само за променлив ток, в приложение с постоянен ток, неприятностите настъпват бързо. Без нулеви преминавания релето просто продължава да провежда електрически ток неконтролирано. Това води до прегряване на компонентите и в крайна сметка разрушава полупроводниковите елементи вътре в релето. Правилният избор означава строго съответствие между типа реле и вида на тока, който ще управлява. Също така от голямо значение са спецификациите за напрежение и ток, които трябва да надвишават нормалните работни условия, като се предвижда значителен допълнителен капацитет. Грешките в тези параметри не само изгарят релето, но могат и неочаквано да доведат до пълна спиране на цели системи.